Immunoregulation in an experimental model of allergic asthma

Abstract

In allergic asthma the immune response to antigen is inappropriate, leading to an inflammatory process in the respiratory mucosa. To further elucidate immunological mechanisms involved in the development of such inflammation, control mice and mice deficient in selected cell types or proteins, were used in experimental models of allergic asthma and anaphylaxis.



The present study demonstrates that allergic airway inflammation, characterized by eosinophilia, CD4+ T cell infiltration, and increased numbers of mucus cells, develops in mice that lack all immunoglobulins and B lymphocytes. However, immediate hypersensitivity reactions, such as acute phase plasma extravasation in airways and systemic anaphylaxis, are completely blunted in these animals. These findings support the possibility that important aspects of allergic airway inflammation may develop independent of IgE and without the involvement of B lymphocytes as antigen presenting cells. These data also show that immediate hypersensitivity responses and allergic late phase inflammation may be two independent processes.



In addition, the present study demonstrates that the immune response to antigen leading to allergic airway inflammation may be critically regulated by NK cells. Mice depleted of NK1.1+ cells (NK cells and NKT cells) prior to sensitization, but not mice lacking NKT cells (CD1d1 mutant mice), thus exhibit little pulmonary eosinophil and CD3+ T cell infiltration as well as low bronchoalveolar lavage fluid levels of IL-4, IL-5, and IL-12 at allergen aerosol exposure. Allergen-specific IgE and IgG2a levels and cytokine production in spleen are also diminished in these animals compared to control mice. Depletion of NK1.1+ cells during the allergen challenge period only does not influence eosinophilic inflammation. Mice deficient in gd T cells show relatively less attenuation of the lung tissue eosinophilia than mice depleted of NK1.1+ cells. A separate series of experiments show that macrophage migration inhibitory factor may not play a major role for the development of either allergic or endotoxin-induced airway inflammation in mice.



In conclusion, the main findings of this thesis indicate a novel critical role of NK cells in sensitization and subsequent development of allergen-induced airway inflammation, and suggest that this inflammation in part develops independent of IgE.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Astma är en folksjukdom i Sverige. Mellan 5-10 % av befolkningen har astma i varierande svårighetsgrad. Förekomsten av astma är dessutom stigande – mest markant ses detta hos unga individer. Astma påverkar därför livskvaliteten hos många (däribland många barn) och hos en del utvecklas en gravt invalidiserande och ibland dödlig sjukdom. Astma kännetecknas av episoder med luftvägsobstruktion i varierande grad samt en ökad retbarhet (hyperreaktivitet) i luftvägarna.



Den bakomliggande orsaken till dessa symtom anses vara en kronisk inflammation i luftvägsslemhinnan. Inflammationen karaktäriseras bl.a. av invandring och aktivering av en mängd olika celler tillhörande immunförsvaret (t.ex. T lymfocyter, eosinofila granulocyter och mast celler), protein- och vätskeutträde till vävnaden ifrån blodkärlen (plasmaexsudation), ökat antal slemproducerande celler samt vävnadsskada i de ytligaste skikten av slemhinnan.



Astma kan indelas i allergisk och icke allergisk astma. Den allergiska varianten är vanligast och kännetecknas av att ett allergen (t.ex. olika pollensorter, katt- eller kvalsterproteiner) har kunnat identifierats som grundorsak till den inflammatoriska reaktionen i slemhinnan. Den allergiska inflammationen i luftvägslemhinnan är ett uttryck för en överdriven och felriktad reaktion av immunförsvaret mot allergenet. Normalt skall kroppen inte utveckla en sådan reaktion mot vanliga proteiner som allergen ändå är.



När en person med allergisk astma utsätts för allergenpåverkan uppkommer ofta dels en tidig (akut) luftvägsobstruktion, dels, efter några timmar, en sen luftvägsobstruktion samt ökad hyperreaktivitet. Den tidiga luftvägsobstruktionen anses bero på att allergenet binder till allergen-specifika antikroppar (IgE) på mast celler, vilket aktiverar dessa celler och en mängd proinflammatoriska och luftvägssammandragande ämnen frisätts (anafylaktisk reaktion). Den sena luftvägsobstruktionen samt hyperreaktiviteten anses vara orsakad av inflammationen i luftvägsslemhinnan. Det är oklart i vilken grad den tidiga (anafylaktiska) reaktionen bidrar till uppkomsten av inflammationen, samt vilken betydelse antikroppar (i synnerhet IgE) har.



Denna avhandling baseras på studier i en djurmodell som efterliknar allergisk astma. I första (I) och andra (II) delarbetet studerades antikroppars och den tidiga (anafylaktiska) reaktionens betydelse för uppkomsten av den allergiska inflammationen. Efter sensibilisering och efterföljande aerosolexponering med allergen uppvisade genetiskt modifierade möss som saknar antikroppar lika grad av inflammation (antal eosinofila granulocyter, CD4+ T lymfocyter, makrofager samt slemproducerande celler) som normala kontrollmöss. Mössen som saknar antikroppar uppvisade dock en total avsaknad av anafylaktiska reaktioner (akut plasmaexsudation i luftvägarna samt allergisk chock). Dessa två studier indikerar därför att antikroppar, t.ex. IgE, inte är nödvändiga för uppkomsten av allergisk inflammation i luftvägarna. Dessutom visades att akuta anafylaktiska reaktioner och den allergiska inflammationen i hög grad är oberoende processer.



Det är till stor del okänt varför vissa människors immunförsvar reagerar med inflammation när de exponeras för ett allergen, medan andra tolererar allergenet väl. Det har tidigare visats att vid allergisk astma utvecklas en viss population av T lymfocyter (CD4+ Th2-liknande celler) vars produktion av proinflammatoriska ämnen (cytokiner som t.ex. interleukin-4, 5, och 13) anses driva inflammationen. Många olika faktorer har sannolikt betydelse för utvecklingen av dessa sjukdomsalstrande T lymfocyter. I delarbete III undersöktes om lymfoida celler tillhörande det naturliga immunförsvaret har betydelse för allergisk sensibilisering och utveckling av T lymfocyter som orsakar inflammation i luftvägarna. Genom att utvärdera det immunologiska och inflammatoriska svaret efter sensibilisering och efterföljande aerosolexponering med allergen hos möss, som selektivt saknar olika cellpopulationer, kunde dessa olika cellers roll i detta skeende bedömmas. I delarbete III visades således att naturliga mördar-celler (NK celler) är kritiska för sensibilisering och utveckling av allergisk luftvägsinflammation. I möss som saknar dessa celler var nämligen det allergiska svaret kraftigt hämmat (minskad invandring av eosinofila granulocyter och CD3+ T celler till lungorna, sänkta nivåer av allergen-specifika antikroppar av IgE- och IgG2a-typ i blodet samt reducerade cytokinnivåer i sköljvätska från luftvägarna och i mjälten). Däremot verkar andra speciella celltyper tillhörande det naturliga immunförsvaret (NK1.1+ T celler och gd T celler) ej ha någon större betydelse för uppkomsten av allergisk inflammation i luftvägarna hos möss.



Proinflammatoriska cytokiner har en viktig roll för uppkomsten av allergisk inflammation. Ett flertal både kliniska och experimentella studier har tidigare genomförts där en enskild cytokin har blockerats i hopp om att minska inflammationen och därmed minska de allergiska symtomen. I delarbete IV redovisas en studie där en sådan proinflammatorisk cytokin blockerades i allergiska möss. Cytokinen som blockerades, "macrophage migration inhibitory factor" (MIF) har tillskrivits en viktig roll för allehanda inflammationer, även sådana som inte kan behandlas med steroider. I delarbete IV kunde dock inte någon betydelse för MIF vid allergisk eller bakterie-toxin orsakad inflammation i luftvägarna påvisas.



Sammanfattningsvis indikerar detta avhandlingsarbete att NK celler har en kritisk roll för sensibilisering och utveckling av allergisk inflammation i luftvägarna, medan antikroppar, t.ex. IgE, inte är avgörande för uppkomsten av denna inflammation.

• author: Korsgren, Magnus
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Associate Professor Lötvall, Jan, Lung Pharmacology Group, Dept of Respiratory Medicine and Allergology, Göteborg University, Gothenburg, Sweden
• organization: Division of Clinical Chemistry and Pharmacology
• publishing date: 2000
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Medicinal Chemistry; Pharmacology and Toxicology
• keywords: allergic asthma, macrophage migration inhibitory factor, eosinophils, gd T cells, NK1.1+ T cells, natural killer cells, immunoglobulins, B cells, innate immunity, allergic airway inflammation, immediate hypersensitivity, Physiology, Fysiologi, Immunology, serology, transplantation, Immunologi, serologi
• pages: 112 pages
• defense location: Fernströmsalen, BMC, Sölvegatan 19, Lund
• defense date: 2000-04-07 09:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUMEDW/MEFN--28--SE
• ISBN: 91-628-4015-0
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 99adfc7c-844e-49f9-8aa2-f49c6e1ae9fe (old id 40318)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:00:17
• date last changed: 2018-11-21 21:02:03